EP0713112A1 - Optical emitting and receiving device with a surface emitting laser - Google Patents

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EP0713112A1
EP0713112A1 EP95112444A EP95112444A EP0713112A1 EP 0713112 A1 EP0713112 A1 EP 0713112A1 EP 95112444 A EP95112444 A EP 95112444A EP 95112444 A EP95112444 A EP 95112444A EP 0713112 A1 EP0713112 A1 EP 0713112A1
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EP
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carrier
t2
surface
t3
element
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Withdrawn
Application number
EP95112444A
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German (de)
French (fr)
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Heiner Dipl.-Ing. Hauer
Albrecht Dr.-Ing. Kuke
Bernhard Dr.-Ing. Schwaderer
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ANT Nachrichtentechnik GmbH
Original Assignee
ANT Nachrichtentechnik GmbH
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Abstract

The transmission and reception device has a transmission element, e.g. a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), supported by a first carrier (T1) and a reception element (PD) and a transmission fibre (Fa) supported by a third carrier (T3), with a second carrier (T2) between the first and third carriers. The second carrier is transparent to the light wavelength emitted by the transmission element, with a recess housing a monitoring diode (MD) at the interface between the first carrier and the second carrier.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Sende- und Empfangseinrichtung mit einem oberflächenemittierenden Laser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to an optical transmitting and receiving device with a surface-emitting laser according to the preamble of claim 1.
  • Bei einer optischen Sende- und Empfangseinrichtung muß eine Übertragungsfaser an ein Sendeelement, üblicherweise eine Laserdiode, und an eine Photodiode als Empfangselement angekoppelt werden. In an optical transmitting and receiving device, a transmission fiber of a transmission element, usually a laser diode must, and can be coupled to a photodiode as a receiving element. In der Übertragungsfaser werden gleichzeitig die Sende- und Empfangssignale in entgegengesetzter Richtung übertragen. In the transmission fiber, the transmitting and receiving signals are transmitted in the opposite direction simultaneously. Die Sende- und Empfangssignale werden bei gleicher Wellenlänge über einen Strahlteiler und bei unterschiedlichen Wellenlängen über einen wellenlängenselektiven Verzweiger getrennt. The transmit and receive signals are separated at the same wavelength of a beam splitter and at different wavelengths of a wavelength-selective splitter. Um möglichst geringe Koppelverluste zu erhalten, muß die Faser sowohl an die Laserdiode als auch an die Empfangsdiode optimal angekoppelt werden. To as low as possible to obtain coupling losses, the fiber must be optimally coupled to both the laser diode and the receiving diode. Zur Ankopplung eines Lasers mit waagerecht liegendem Resonator und Lichtaustrittsfläche an der Stirnseite an eine Einmodenfaser muß wegen der unterschiedlichen Strahlcharakteristiken von beiden eine Strahltransformation durchgeführt werden. For coupling a laser having a level position, the resonator and the light exit surface at the face of a single mode fiber because of the different optical characteristics of both a beam transformation must be performed. Hierzu wird üblicherweise eine Abbildung mit einer oder zwei Linsen verwendet. To this end, an image with one or two lenses is usually used. Das erforderliche Vergrößerungsverhältnis M liegt entsprechend dem Verhältnis der Modenfelddurchmesser von Laser und Faser bei etwa drei bis fünf. The required enlargement ratio M is corresponding to the ratio of the mode field diameter of the laser and fiber at approximately three to five. Bei einem neueren Laserdiodentyp, dem Vertical Cavity Surface Emittig Laser (VCSEL) ist der Resonatorraum und die Abstrahlrichtung senkrecht zur Chipoberfläche. In a recent laser diode type, Vertical Cavity Surface Emittig laser (VCSEL) of the resonator chamber and the emission direction is perpendicular to the chip surface. Der Modenfelddurchmesser ist an den Modenfelddurchmesser einer Einmodenfaser angepaßt, um eine gute Kopplung zu erreichen. The mode field diameter is adapted to the mode field diameter of a single mode fiber in order to achieve good coupling. Das Vergrößerungsverhältnis ist in diesem Fall M = 1. Toleranzen in der Position des Lasers sind bei einem VCSEL von der gleichen Größenordnung, wie die Toleranzen einer Faser-Faser-Kopplung. The enlargement ratio is in this case M = 1, tolerances in the position of the laser are in a VCSEL of the same order of magnitude as the tolerances of a fiber-fiber coupling.
  • Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) sind mehr noch als stirnflächenemittierende Laser sehr empfindlich gegenüber Rückreflexionen an externen Reflexionsflächen in den Laserresonator. Surface-emitting laser (VCSEL) are even more than stirnflächenemittierende laser is very sensitive to back-reflections of external reflection surfaces in the laser resonator. Eine sehr kritische Reflexionsfläche wäre eine Faserstirnfläche, die unmittelbar vor dem Lichtaustrittsfenster des Lasers angebracht wäre, wie es zum Erreichen eines guten Koppelwirkungsgrades erforderlich wäre. A very critical reflection surface would be a fiber end face which would be mounted directly in front of the light exit window of the laser, as would be required to achieve good coupling efficiency. Soll ein VCSEL in einem Transceiver-Modul eingesetzt werden, so muß zwischen der Übertragungsfaser und dem Laser ein Element zur Richtungstrennung eingebracht werden. If a VCSEL in a transceiver module be used, between the transmission fiber and the laser must be an element for directional separation is introduced. Dieses Element läßt sich bei der Stirnflächenkopplung zwischen Laser und Faser aus Platzgründen nicht anbringen. This element can not attach lack of space in the butt coupling between the laser and fiber.
  • Aus der DE 39 14 835 C1 ist eine Anordnung zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters an ein optisches Sende- oder Empfangselement bekannt. From DE 39 14 835 C1 an arrangement for coupling an optical waveguide to an optical transmitting or receiving element is known.
  • Eine Justierung in der zur optischen Achse lateralen Ebene wird dadurch erreicht, daß Lichtwellenleiter und optisches Sende- oder Empfangselement auf verschiedenen Trägern fixiert sind, die mit ihren Trägeroberflächen verschiebbar aufeinander liegen und daß das Lichtbündel durch zweimalige Spiegelung an je einer auf einem Träger befindlichen Spiegelebene vom Lichtwellenleiter zum optisch aktiven Element oder umgekehrt gelangt. An adjustment in the lateral to the optical axis is achieved in that optical waveguides and optical transmitting or receiving element are fixed on different supports, with their support surfaces sliding on one another and that the light beam by twice reflection in a respective a supported mirror plane from optical waveguide for optically active element or vice versa passes. Durch Verschieben der Träger wird eine laterale Justierung durchgeführt. a lateral adjustment is performed by shifting the carrier. Der Träger, der das Sende- oder Empfangselement trägt, kann aus einem Substrat und einem darauf aufgebrachten Teil bestehen, das eine durchgehende Öffnung aufweist, durch die der Lichtstrahl tritt. The carrier, which carries the transmitting or receiving element may be composed of a substrate and applied thereto a member having a through hole through which the light beam enters. Eine Anwendung der Anordnung in allen Übertragungssystemen mit Lichtwellenleitern, in Duplexern mit Lichtein- oder -auskopplung ist möglich. One application of the arrangement in all transmission systems with optical fibers, in duplexers with light entry or -auskopplung is possible. Für den Fall der Ankopplung an ein Sendeelement, insbesondere an einen kantenemittierenden Laser, kann auf dem Träger mit der Faser ein Empfangselement vorgesehen sein. In the case of coupling to a transmission element, in particular to an edge-emitting laser, the reception element can be provided on the support with the fiber.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine optische Sende- und Empfangseinrichtung anzugeben, bei der der Justageaufwand verringert und die Montage vereinfacht ist. Starting from this prior art, it is an object of the invention to provide an optical transmitting and receiving device, wherein the adjustment effort is reduced and the assembly is simplified.
  • Die Aufgabe wird durch eine Erfindung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. The object is achieved by an invention having the features of claims 1 and 2. FIG.
    Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous developments are specified in the dependent claims.
  • Es wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der eine justagefreie Montage aller Komponenten eines Transceiver-Moduls mit VCSEL möglich ist und die Ankopplung ohne schädliche Rückreflexionen auf den Laser erfolgt. It is proposed a solution in which an adjustment-free mounting of all components of a transceiver module with VCSEL is possible and takes place the coupling without detrimental back reflections to the laser. Außerdem werden Vorschläge für eine reflexionsarme Ankopplung einer Monitordiode zur Regelung der Lichtleistung gemacht. In addition, proposals for a low-reflection coupling of a monitor diode to regulate the light output to be made. Die hierbei erforderlichen Haltestrukturen können mikromechanisch im Großnutzen kostengünstig hergestellt werden. The required here holding structures can be produced in large micromechanical benefit cost.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. Es zeigen: Show it:
    • Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit Monitordiode auf dem Träger der Laserdiode; 1 shows a section through an inventive arrangement with monitor diode on the support of the laser diode.
    • Fig. 1a einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit Monitordiode auf dem Träger der Übertragungsfaser; Figure 1a shows a section through an inventive arrangement with monitor diode on the carrier of the transmission fiber.
    • Fig. 2 Aufbau zur Justage der Anordnung; Fig. 2 structure for adjustment of the assembly;
    • Fig. 3 erfindungsgemäße Anordnung, wobei der dritte Träger mit seiner Stirnseite zum ersten Träger ausgerichtet ist und Fig. 3 arrangement according to the invention, wherein the third carrier is aligned with its end to the first carrier and
    • Fig. 4 erfindungsgemäße Anordnung, deren dritter Träger gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 vertikal und horizontal gespiegelt ist. Fig. 4 arrangement of the invention, the third support is vertically and horizontally mirrored over the arrangement of FIG. 1.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 1 dargestellt. A first embodiment of the solution according to the invention is shown in FIG. 1. In einem ersten Träger T1, der aus einkristallinem Silizium besteht, wird durch anisotropes Ätzen eine Vertiefung V1 erzeugt, die einen ebenen Boden B1 besitzt, auf welchem eine senkrecht strahlende Laserdiode VCSEL montiert ist. In a first support T1, which consists of monocrystalline silicon, a groove V1 is generated by anisotropic etching having a flat bottom B1, on which a perpendicular radiating laser diode VCSEL is mounted. Die Seitenflächen der Vertiefung haben infolge des anisotropen Ätzprozesses einen Neigungswinkel von The side surfaces of the recess have a result of the anisotropic etch process an inclination angle of α = arctan ( α = arctan ( 2 2 ) = 54,7° ) = 54.7 °
    Figure imgb0001
    . , Zur Erleichterung der Positionierung wird die Laserdiode bei der Montage an die Fußlinien von mindestens zwei rechtwinklig zueinander liegenden Seitenflächen angelegt. To facilitate the positioning of the laser diode is applied during assembly of the root lines of at least two mutually perpendicular side faces.
  • Über dem Träger T1 ist ein zweiter Träger T2 angebracht, der für die Wellenlänge λ₁ des Laserlichtes transparent ist. To the support T1 T2 a second carrier is mounted, which is transparent to the wavelength λ₁ of the laser light. Beispielsweise kann dieser zweite Träger ebenfalls aus Silizium bestehen. For example, this second substrate may also consist of silicon. Es ist aber auch ein anderes transparentes Material möglich, das mikromechanisch strukturierbar ist. but it is also another transparent material possible, which is micro-mechanically structured. Auf der Unterseite des Trägers T2 wird in dem Bereich über der aktiven Fläche der VCSEL eine schräge Fläche SF strukturiert, deren Neigungswinkel δ gegenüber der Unterseite des Trägers T2 so groß ist, daß das senkrecht aus der VCSEL austretende Sendelichtbündel L1 an der geneigten Grenzfläche SF unter den Winkel γ₁₂ gebrochen wird. On the underside of the carrier T2 an inclined surface SF is in the region above the active area of ​​the VCSEL structure, the inclination angle δ with respect to the underside of the support T2 is so large that the vertically emerging from the VCSEL transmitted light beam L1 on the inclined boundary surface SF under the angle is γ₁₂ broken. Auf der Oberseite des Trägers T2 ist eine Linse Li angebracht. On the upper side of the support T2 Li a lens is mounted. Diese Linse kann vorteilhafterweise eine planar aufgebrachte Fresnellinse oder eine holographische Linse sein. This lens may advantageously be a planar applied Fresnel lens or a holographic lens. Es sind aber auch andere Linsenarten möglich, wie zum Beispiel eine Kugellinse, die in einer mikromechanisch geformten Vertiefung sitzt, oder eine durch Trockenätzen erzeugte Linse. However, it is possible also other types of lenses such as a spherical lens, which sits in a micro-mechanically formed recess or produced by dry lens. Die Linse Li wandelt das zunächst divergente Lichtbündel L1 in ein konvergentes Bündel um. The Li lens converts the first divergent light beam L1 into a convergent beam. Infolge der Lichtbrechung an der oberen Grenzfläche des Trägers T2 wird der Mittelstrahl des Lichtbündels unter dem Winkel Due to the refraction of light at the upper interface of the support T2, the central ray of the beam is at an angle γ γ 11 11 = arcsin ((n = Arcsin ((n 2 2 /n / n o O )*sin(γ ) * Sin (γ 12 12 )) ))
    Figure imgb0002
    gebrochen, wobei n o der Brechungsindex im Außenraum und n₂ der Brechungsindex im Träger T2 ist. broken, where n o is the refractive index in the outer space and n₂ is the refractive index in the carrier T2.
  • Über dem Träger T2 ist ein weiterer Träger T3 angebracht, der wie der Träger T1 ebenfalls aus einkristallinem Silizium besteht. Above the support T2 T3 a further support is provided, which also consists, as the support T1 made of monocrystalline silicon. In diesem Träger T3 sind zwei Vertiefungen V31 und V32 anisotrop geätzt. In this carrier T3 two wells are etched anisotropically V31 and V32. Die Vertiefung V31 ist eine V-Nut zur Aufnahme der Übertragungsfaser Fa. Die Breite dieser V-Nut ist dabei zweckmäßigerweise so groß, daß die unterste Mantellinie der Faser gerade in der Ebene der Unterseite von T3 zu liegen kommt. The recess V31 is a V-groove for receiving the transmission fiber Fa. The width of the V-groove is preferably so large that the lowermost surface line of the fiber comes to lie in the plane of T3 just the bottom. Die Stirnseite S3 der V-Nut ist mit einem wellenlängenselektiven Filter Fi1 beschichtet. The end face S3 of the V-groove is coated with a wavelength selective filter Fi1. Dieses Filter ist so ausgelegt, daß die Sendewellenlänge λ₁ reflektiert und die Empfangswellenlänge λ₂ durchgelassen wird. This filter is designed so that the transmission wavelength λ₁ and reflected reception wavelength λ₂ is transmitted. Das Sendelichtbündel L1 wird an der unter dem Winkel α geneigten Stirnfläche S31 dann in waagerechte Richtung reflektiert und in die Übertragungsfaser Fa eingekoppelt, wenn der Winkel γ₁₁ der folgenden Beziehung gehorcht: The transmitted light beam L1 is then reflected at the inclined at the angle α face S31 in the horizontal direction and coupled into the transmission fiber Fa, if the angle γ₁₁ obeys the following relationship: γ γ 11 11 = 2*α - 90° = 19,5° = 2 * α - 90 ° = 19.5 °
    Figure imgb0003
    Hieraus errechnet sich der Winkel γ₁₂ zu 5,5°, wenn für den Träger T2 der Brechungsindex von Silizium mit 3,4777 (λ = 1550 nm) eingesetzt wird. From this, the angle calculated γ₁₂ to 5.5 ° when (λ = 1550 nm) is used for the support T2, the refractive index of silicon with 3.4777. Der Neigungswinkel δ, der erforderlich ist, um an der Grenzfläche SF den Winkel γ₁₁ = 5,5° zu erzeugen, errechnet sich aus der transzendenten Gleichung The inclination angle δ, which is required at the interface SF = the angle γ₁₁ to produce 5.5 °, calculated from the transcendental equation (n (n 2 2 /n / n o O )*sin(δ - γ ) * Sin (δ - γ 11 11 ) - sin δ = 0 ) - sin δ = 0
    Figure imgb0004
    Durch Iteration erhält man mit den oben angegebenen Werten für n₂, n o und γ₁₁ einen Neigungswinkel von δ = 8,71°. By iteration is obtained with the values given above for n₂, n o and γ₁₁ an inclination angle of δ = 8.71 °.
  • Statt durch Brechung an der geneigten Fläche kann der für die richtige Lichtführung erforderliche Winkel γ₁₂ auch durch andere Mittel erreicht werden. Rather than by refraction at the inclined surface of required for proper lighting angle can be achieved by other means γ₁₂. Beispielsweise kann auf der Oberfläche des VCSEL ein refraktives oder diffraktives Ablenkungselement wie zum Beispiel ein Fresnelelement oder ein Hologramm aufgebracht werden, das die Lichtrichtung um den Winkel γ₁₁ ablenkt, so daß durch Brechung an der Unterseite des Trägers T2 im Träger T2 der Winkel γ₁₂ erreicht wird. For example, a refractive or diffractive deflecting element such as a Fresnel element, or a hologram can be applied to the surface of the VCSEL can be applied, the γ₁₁ the light direction by the angle deflects, is thus achieved that, by refraction at the bottom of the carrier T2 in the carrier T2 γ₁₂ the angle , Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den VCSEL-Chip selbst unter dem Winkel γ₁₁ geneigt zu montieren. Another option is to mount the VCSEL chip γ₁₁ even at an angle inclined. Dies kann durch Schrägstellung des Bodens der Vertiefung V1 geschehen. This can be done by tilting the bottom of the recess V1.
  • Da die Modenfelddurchmesser von VCSEL und Faser von annähernd gleicher Größe sind, muß die Linse Li so ausgelegt sein, daß eine 1:1-Abbildung mit M = 1 entsteht. Since the mode field diameters of VCSEL and fiber of approximately equal size, the lens Li must be designed so that a 1: 1 mapping with M = 1 is produced. Etwaige Unterschiede in den Modenfelddurchmessern können durch Anpassung des Abbildungsverhältnisses leicht kompensiert werden. Any differences in the mode field diameters can easily be compensated for by adjusting the magnification ratio. Für ein Vergrößerungsverhältnis von M = 1 müssen auch die optischen Weglängen für die Gegenstands- und Bildweite gleich groß sein. For an enlargement ratio of M = 1, the optical path lengths for the object and image distances must be the same. Bei der Berechnung der optischen Weglängen muß jeweils der Brechungsindex des durchlaufenen Materials berücksichtigt werden. In calculating the optical path lengths of each of the refractive index of the traversed material must be considered. Die Gegenstandsweite kann durch die Wahl der Dicke des Trägers 2 an die Bildweite im Raum vor der Faser Fa angepaßt werden. The object distance can be adjusted by the choice of the thickness of the support 2 to the image distance in space in front of the fiber Fa. Da die Koppeltoleranzen eines VCSEL in der Größe der Faser-Koppeltoleranzen sind, kann hier auf eine aktive Justage verzichtet werden. Since the coupling tolerances of a VCSEL are in the size of the fiber-coupling tolerances, can be dispensed with an active adjustment here. Die Koppeltoleranzen liegen in lateraler Richtung für Faser und VCSEL bei ca. 2 - 3 µm. The coupling tolerances in the lateral direction for the fiber and VCSEL at about 2 - 3 microns. In axialer Richtung liegen sie bei etwa 30 µm. In the axial direction, they are from about 30 microns. Diese Toleranzen sind durch mikromechanisch strukturierte Silizium-Haltestrukturen einzuhalten, so daß eine justagefreie Montage möglich ist. These tolerances are to be observed by micromechanically structured silicon support structures, so that an adjustment-free mounting. Zur justagefreien Montage der drei Träger T1 - T3 aufeinander dienen mikromechanisch erzeugte Anschläge oder Vertiefungen Va, in die Justagekörper JK gelegt werden. For the adjustment-free mounting of the three beams T1 - T3 are sequentially stops or recesses Va micromechanically produced, are placed in the Justagekörper JK.
  • Das aus der Übertragungsfaser austretende Empfangslichtbündel L2 mit der Wellenlänge λ₂ durchdringt das Filter Fi1 und wird an der Grenze zum Silizium unter dem Winkel The light emerging from the transmission fiber receiving light beam L2 of the wavelength λ₂ passes through the filter Fi1 and is at the boundary to silicon at the angle γ γ 21 21 = α + β = Α + β 3 3 , .
    Figure imgb0005
    wobei β₃ der Brechungswinkel an der Stirnfläche S31 mit wherein the refractive angle β₃ having on the end surface S31 β β 3 3 = arcsin((n = Arcsin ((n o O /n / n 3 3 )*sin(90°-α)) ) * Sin (90 ° -α))
    Figure imgb0006
    ist, gegen die Flächennormale der Substratoberfläche von T3 in das Silizium hineingebrochen. is refracted towards the surface normal of the substrate surface of T3 in the silicon. Dabei ist n o der Brechungsindex in der V-Nut V31 und n₃ = 3,4777 der Brechungsindex im Siliziumträger T3. Where n o is the refractive index in the V-groove V31 and n₃ = 3.4777, the refractive index in the silicon carrier T3. Mit n o = 1 für Luft erhält man β₃ = 9,6° und γ 21 = 64,3°. N o = 1 for air obtained β₃ = 9.6 ° and γ 21 = 64.3 °. Das Lichtbündel L2 trifft auf die Seitenfläche S31 der Vertiefung V31 unter einem Einfallswinkel von The light beam L2 incident on the side surface S31 of the recess V31 at an incident angle of α α 3 3 = 180° -2*α - β = 180 ° -2 * α - β 3 3 = 61,0°. = 61.0 °.
    Figure imgb0007
  • Da dieser Winkel α₃ größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion beim Übergang Silizium/Luft von Since this angle α₃ greater than the critical angle of total reflection at the transition silicon / air α α g G = arcsin(n = Arcsin (n o O /n / n 3 3 ) = 16,7° ) = 16.7 °
    Figure imgb0008
    ist, wird das Lichtbündel L2 unter dem Winkel is, the light beam L2 is at an angle γ γ 22 22 = α = α 3 3 - α = 6,3° - α = 6.3 °
    Figure imgb0009
    gegen die Flächennormale der Trägeroberfläche gebrochen. broken against the surface normal of the support surface. Der Winkel γ₂₂ ist kleiner als α g , so daß das Lichtbündel L2 auf der Oberfläche des Siliziumträgers T3 austreten kann. The angle α is smaller than γ₂₂ g, so that the light beam can exit at the surface of the silicon substrate T3 L2. An der Austrittsstelle des Lichtbündels L2 wird die Empfangsdiode PD montiert. the receiving diode PD is mounted at the exit point of the light beam L2. Die Position für die Photodiode ergibt sich aus den oben genannten Winkeln, dem Abstand der beiden Vertiefungen V31 und V32 voneinander und mit geringer Abhängigkeit von der Dicke des Trägers T3. The position for the photodiode resulting from the above-mentioned angles, the distance between the two depressions V31 and V32 from each other and with less dependence on the thickness of the support T3. Die Position der Lichtaustrittsfläche von L2 hängt dagegen nicht von der axialen Position der Faser Fa in der V-Nut V31 ab. The position of the light-emitting surface of L2 however, does not depend on the axial position of the fiber Fa in the V-groove V31. Die Position der Lichtaustrittsfläche kann daher relativ zu den mikromechanisch erzeugten Vertiefungen V31 und V32 durch Marken oder Anschläge gekennzeichnet werden. The position of the light exit surface can therefore be characterized relative to the micro-mechanically produced depressions V31 and V32 by marks or stops. Diese Marken oder Anschläge können durch photolithographische Technik sehr genau zu den Vertiefungen V31 und V32 ausgerichtet werden. These trademarks or stops can be aligned with the depressions V31 and V32 very closely by photolithographic technique.
  • Zur Regelung der Lichtleistung des Sendelasers muß mit einer Monitordiode MD die Laserleitung gemessen werden. To control the light power of the transmitter laser, the laser line should be monitored by a monitor diode MD. Auch die Monitordiode muß dabei reflexionsarm angekoppelt werden. The monitor diode must thereby be coupled in reflection. Erfindungsgemäß wird unter der Laserdiode VCSEL eine schmale V-Nut Vm anisotrop geätzt. According to the invention a narrow V-groove Vm is anisotropically etched under the VCSEL laser diode. Eine Stirnseite Sm1 dieser V-Nut liegt dabei unterhalb der unteren Lichtaustrittsfläche der VCSEL und die andere Stirnfläche Sm2 unterhalb der neben der VCSEL angebrachten Monitordiode MD. One end face Sm1 this V-groove lies below the lower light emitting surface of the VCSEL and the other end face Sm2 below the mounted adjacent to the VCSEL monitor diode MD. Die Seitenwände der Monitor-V-Nut Vm sind verspiegelt, so daß das Monitorsignal nach mehreren Reflexionen in die Monitordiode gelangt. The side walls of the monitor V-groove Vm are mirrored, so that the monitor signal reaches after multiple reflections in the monitor diode.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß hierbei eine sehr hohe nahe Übersprechdämpfung erreicht werden kann. Another advantage of the invention is that in this case a very high near crosstalk attenuation can be achieved. Eine hohe nahe Übersprechdämpfung ist erforderlich, damit das Sendesignal aus dem Laser nicht infolge ungenügender Richtungstrennung in die in der Nähe des Senders befindliche Empfangsdiode trifft und diese beim Empfang schwacher Nutzsignale stört. An up close cross-talk attenuation is required so that the transmission signal from the laser is not true due to inadequate separation in the direction located in the vicinity of the transmitter and receiver diode these interfere with reception of weak wanted signals. Filterschichten haben im allgemeinen nur eine begrenzte Fähigkeit zur Trennung verschiedener Wellenlängen. Filter layers have only a limited ability to separate different wavelengths in general. Daher wird ein kleiner Anteil des Sendelichtbündels L1 die Filterschicht S31 auch durchdringen. Therefore, a small portion of the transmitted light beam L1 will penetrate the filter layer S31. Der Strahlverlauf dieses Störlichtes ist als S1' gestrichelt dargestellt. The beam path of this stray light is shown in phantom as S1 '. Dieses Lichtbündel trifft aber unter dem Winkel But this light beam is incident at the angle γ γ 13 13 ' = α - β '= Α - β 3 3 = 45,2° = 45.2 °
    Figure imgb0010
    gegen die Flächennormale auf die Oberfläche des Trägers T3 auf. against the surface normal on the surface of the support T3. Dieser Winkel ist aber größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion α g = 16,7°, so daß das direkte Störlicht vom Sender nicht in die Empfangsdiode gelangen kann. However, this angle is greater than the critical angle of total reflection α g = 16.7 °, so that the direct stray light from the transmitter can not reach the receiving diode.
  • In einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels wird das Filter Fi1 so ausgelegt, daß noch ein geringer Teil des Sendelichtes das Filter durchdringt, während der größte Teil reflektiert wird. In a variant of the first embodiment, the filter Fi1 is designed so that even a small portion of the transmitted light passes through the filter, while the major part is reflected. Dieses das Filter durchdringende Lichtbündel L1' wird erfindungsgemäß als Regelsignal benutzt. This filter penetrating light beam L1 'is inventively used as a control signal. Die Monitordiode MD' wird dann nicht auf dem Träger T1 sondern in einer Aussparung V33 auf dem Träger T2 montiert. The monitor diode MD 'is then not mounted on the support T1 but in a recess V33 on the support T2. Dies ist in der Fig. 1 gestrichelt dargestellt. This is shown in phantom in FIG. 1.
  • Auf eine aktive Justage der Faser zum Sendelichtbündel L1 kann wegen der im Vergleich zu einem stirnflächenemittierenden Laser größeren Modenfeld eines VCSEL verzichtet werden. An active adjustment of the fiber to the emitted light beam L1 of a VCSEL can be omitted because of the greater compared to an end-surface emitting laser mode field. Die erforderliche Genauigkeit im Bereich von 2 - 3 µm wird durch Justagekörper JK in Vertiefungen Va oder durch mikromechanisch erzeugte Anschläge in den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Träger T1 bis T3 erreicht. The required accuracy in the range of 2 - 3 microns is achieved by Justagekörper JK in recesses Va or micromechanically produced attacks in the opposing surfaces of the support T1 to T3. Der Träger T2 kann dabei als lichtdurchlässiger hermetisch dichter Deckel des Gehäuses G dienen. The carrier T2 can serve as a light transmitting hermetically sealed cover of the housing G. Ebenso kann auch ein zusätzliches hermetisch dichtes Fenster Fe zwischen den Trägern T2 und T3 eingesetzt werden (Siehe Fig. 2). Likewise, an additional hermetic window Fe can be inserted between the carriers T2 and T3 (See FIG. 2).
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung wird der Träger T3 nicht mit seiner Unterseite sondern mit seiner Stirnseite zum Träger T2 ausgerichtet. In a second embodiment of the solution according to the invention the carrier T3 is not aligned with its bottom but with its end face to the support T2. Das zweite erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 dargestellt. The second embodiment according to the invention is shown in FIG. 3. Die Träger T1 und T2 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. The support T1 and T2 are constructed as in the first embodiment. Die Faser Fa wird auch hier wieder in einer V-Nut V31 in einem Träger T3 geführt und ist auch in dieser V-Nut axial justierbar. The fiber Fa is performed here again in a V-groove V31 in a carrier T3 and is axially adjustable in this V-groove. Die Stirnseite S31 ist ebenfalls mit einer wellenlängenselektiven Filterschicht Fi2 belegt. The front end S31 is also coated with a wavelength-selective filter layer Fi2. Im Unterschied zur Filterschicht F11 im ersten Ausführungsbeispiel ist die Filterschicht Fi2 für die Sendewellenlänge λ₁ durchlässig und für die Empfangswellenlänge λ₂ reflektierend. In contrast to the filter layer F11 in the first embodiment, the filter layer Fi2 for the transmission wavelength is λ₁ permeable and for the reception wavelength λ₂ reflective. Das unter einem Winkel von γ₁₁ = 19,5° aus dem Träger T2 austretende Lichtbündel L1 trifft auf die Seitenwand S31 einer von der entgegengesetzten Seite in den Träger T3 anisotrop geätzten Vertiefung V32, deren der Seitenwand S32 gegenüberliegender Teil, beispielsweise durch Sägen, entfernt worden ist. The light exiting at an angle of γ₁₁ = 19.5 ° from the carrier T2 light beam L1 impinges on the side wall S31 an anisotropically etched from the opposite side into the carrier T3 recess V32, of which the side wall S32 of opposing part, been removed, for example by sawing is. Da die beiden Seitenflächen S32 und S31 parallel zueinander sind, wird das Sendelichtbündel S1 durch die zweimalige Brechung parallel versetzt und trifft dann in die Übertragungsfaser Fa. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel muß hier nicht durch besondere Maßnahmen die Lichtstrahlrichtung im Träger T2 geneigt werden, sondern kann senkrecht bleiben. Since the two side surfaces S32 and S31 are parallel to each other, the transmitted light beam displaced in parallel by the two-time refractive S1, and is then incident into the transmission fiber Fa. In contrast to the first embodiment by special measures the light ray direction in the support T2 need not be inclined herein, but may remain vertical. Der Träger T3 wird dann senkrecht zur Flächennormalen des Trägers T2 montiert. The carrier T3 is then mounted perpendicular to the surface normal of the support T2. Die Empfangsdiode PD wird über der Stirnfläche S31 der Faser-V-Nut V31 montiert. The receiving diode PD is mounted on the end surface S31 of the fiber V-groove V31. Das aus der Faser austretende Empfangssignal hat in diesem Ausführungsbeispiel nur einen sehr kurzen Lichtweg bis zum Auftreffen auf die Empfangsdiode. The light emerging from the fiber receiving signal has in this embodiment only a very short light path to impinge on the receiving diode. Dadurch fächert es weniger auf, so daß eine kleinflächigere Photodiode eingesetzt werden kann. This makes it fans out less, so that a small-area photodiode can be used.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung ist in der Fig. 4 dargestellt. A third embodiment of the inventive solution shown in Fig. 4. Hier ist der Träger T3 ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, aber gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel vertikal und horizontal gespiegelt. Here, the carrier T3 is similarly constructed as in the first embodiment, but flipped vertically and horizontally with respect to the first embodiment. Die Filterschicht Fi2 muß wie im Ausführungsbeispiel 2 für die Sendewellenlänge transparent und für die Empfangswellenlänge reflektierend sein. The filter layer Fi2 must be as transparent and in the Embodiment 2 for the transmission wavelength reflective for the reception wavelength. Die Photodiode PD für das Empfangssignal wird wie beim Ausführungsbeispiel 2 im Bereich über der Stirnfläche der V-Nut V31 montiert. The photodiode PD for the received signal as will be mounted in the embodiment 2 in the region above the face of the V-groove V31. Wie im Ausführungsbeispiel 2 hat man auch hier den Vorteil, daß der Weg zwischen Faserstirnfläche und Photodiode sehr kurz ist, was eine geringe Strahlaufweitung zur Folge hat und daher eine sehr kleinflächige Photodiode, die für hohe Frequenzen geeignet ist, erlaubt. As in the embodiment 2, it has the advantage that the path between the fiber end face and the photodiode is very short, which has a small beam expansion result and therefore a very small area photodiode which is suitable for high frequencies allowed here. Der Richtungswinkel γ₁₂ des Strahlbündels im Träger T2 ist für das Trägermaterial Silizium 5,5°. The direction angle γ₁₂ of the beam in the support T2 is 5.5 ° for the substrate silicon. An diesen Richtungswinkel wird durch Maßnahmen, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, der Richtungswinkel γ₂₁ des Strahlbündels im Träger T3 angepaßt. At this direction angle of the direction angle is determined by measures as described in the first embodiment, adapted γ₂₁ of the beam in the carrier T3. Der gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel hier längere Lichtweg im Träger T3 für das Sendelichtbündel muß durch eine entsprechende Dicke des Trägers T2 kompensiert werden. The opposite the first embodiment herein longer light path in the carrier T3 for the transmitted light beam must be compensated by a corresponding thickness of the support T2.
  • Der Träger T2 mit der Linse Li wird im Großnutzen für viele Einzel-Module hergestellt und alle Linsen gemeinsam zu den Lasern in einem einzigen Justage- und Montageprozeß montiert. The carrier T2 with the lens Li is produced in large benefit for many individual modules and all of the lenses mounted in common to the lasers in a single adjustment and assembly process. Hier ist eine passive Justage mittels Marken oder eine justagefreie Montage durch mikromechanisch strukturierte Anschläge möglich. Here, a passive adjustment means marks or adjustment-free assembly by micromechanically structured attacks is possible. Die Vertiefungen V2 im Träger T2 sind dabei so gestaltet, daß die optoelektronischen und elektronischen Bauelemente wie die Laserdiode LD, die Monitordiode MD oder hier nicht dargestellt elektronische Bausteine zur Ansteuerung des Lasers hermetisch dicht eingeschlossen sind. The recesses in the carrier V2 T2 are designed such that the electronic and opto-electronic components such as the laser diode LD, the monitor diode MD or not shown electronic components for driving the laser are hermetically sealed. Nach der gemeinsamen Verbindung der Trägersubstrate T1 und T2 werden diese durch Sägen oder durch Brechen an mikromechanisch erzeugten Sollbruchlinien vereinzelt. According to the common connection of the carrier substrates T1 and T2 these are separated by sawing or by crushing of micro-mechanically produced tear lines. Die Lage der Säge- bzw. Bruchlinien liegt dabei so, daß die Position der Vertiefungen V1 und V2 sowie der Linsen Li nicht berührt werden. The position of the sawing or breaking lines is located thereby so that the position of the grooves V1 and V2, as well as the lenses Li are not affected.
  • Die Monitordiode MD kann auch auf der Unterseite oder Oberseite der Träger T2 oder T3 montiert werden, wobei in dem jeweils benachbarten Träger entsprechende Aussparungen vorzusehen sind. The monitor diode MD can also be mounted on the bottom or top of the support T2 or T3, and corresponding recesses are provided in the respective adjacent carrier. Zur Ankopplung der Monitordiode kann auf dem Träger T2 eine weitere Linse Lim vorgesehen werden. For coupling of the monitor diode a further lens Lim can be provided on the support T2.

Claims (6)

  1. Optische Sende- und Empfangseinrichtung mit einem Sendeelement (LD), das auf einem ersten Träger (T1) fixiert ist, mit einem Empfangselement (PD) und einer Übertragungsfaser (Fa), die auf einem dritten Träger (T3) fixiert sind und mit einem zweiten Träger (T2), der sich zwischen dem ersten und dem dritten Träger (T1, T3) befindet, mit V-Nuten und Vertiefungen in den Trägern (T1, T2, T3), die durch anisotropes Ätzen hergestellt sind, mit mindestens einer Spiegelfläche am dritten Träger (T3), dadurch gekennzeichnet, Optical transmitting and receiving device with a transmitting element (LD) mounted on a first carrier (T1) is fixed, with a receiving element (PD) and a transmission fiber (Fa), on a third carrier (T3) are fixed and with a second carrier (T2), which is located between the first and the third carrier (T1, T3), with V-grooves and recesses in the carriers (T1, T2, T3) which are produced by anisotropic etching with at least one mirror surface on the third carrier (T3), characterized in that
    daß der dritte Träger (T3) für Licht mit der Wellenlänge des vom Sendeelement (LD) ausgesendeten Lichtes transparent ist, daß eine Monitordiode (MD) vorgesehen ist, die auf der Oberfläche des ersten Trägers (T1) in einer Aussparung des zweiten Trägers (T2) montiert ist, that the third carrier (T3) is emitted for the light having the wavelength of the transmission element (LD) light transparent that a monitor diode (MD) is provided on the surface of the first carrier (T1) (in a recess of the second carrier T2 ) is mounted,
    daß das Sendeelement (LD) eine oberflächenemittierende Laserdiode ist und that the transmission element (LD) is a surface-emitting laser diode, and
    daß die Anordnung zwischen der brechend wirksamen Oberfläche des zweiten Trägers (T2) und dem Sendeelement derart gewählt ist, daß der Strahl durch den zweiten Träger (T2) auf die Spiegelfläche (S31) und von dort auf die Übertragungsfaser (Fa) trifft. that the arrangement between the refractive effective surface of the second carrier (T2) and is selected to the transmission member such that the beam passes through the second carrier (T2) to the mirror surface (S31) and from there to the transmission fiber (Fa) applies.
  2. Optische Sende- und Empfangseinrichtung mit einem Sendeelement (LD), das auf einem ersten Träger (T1) fixiert ist, mit einem Empfangselement (PD) und einer Übertragungsfaser (Fa), die auf einem dritten Träger (T3) fixiert sind und mit einem zweiten Träger (T2), der sich zwischen dem ersten und dem dritten Träger (T1, T3) befindet, mit V-Nuten und Vertiefungen in den Trägern (T1, T2, T3), die durch anisotropes Ätzen hergestellt sind, mit mindestens einer Spiegelfläche am dritten Träger (T3), dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Träger (T3) für Licht mit der Wellenlänge des vom Sendeelement (LD) ausgesendeten Lichtes transparent ist, daß eine Monitordiode (MD) vorgesehen ist, die auf der Oberfläche des zweiten Trägers (T2) in einer Aussparung des dritten Trägers (T3) montiert ist, daß das Sendeelement (LD) eine oberflächenemittierende Laserdiode ist und daß die Anordnung zwischen der brechend wirksamen Oberfläche des zweiten Trägers (T2) und dem Sendeelement derar Optical transmitting and receiving device with a transmitting element (LD) mounted on a first carrier (T1) is fixed, with a receiving element (PD) and a transmission fiber (Fa), on a third carrier (T3) are fixed and with a second carrier (T2), which is located between the first and the third carrier (T1, T3), with V-grooves and recesses in the carriers (T1, T2, T3) which are produced by anisotropic etching with at least one mirror surface on the third carrier (T3), characterized in that the third carrier (T3) is emitted for the light having the wavelength of the transmission element (LD) light transparent that a monitor diode (MD) is provided, which (on the surface of the second carrier T2 ) (in a recess of the third carrier T3) is mounted such that the emitting element (LD) is a surface-emitting laser diode and that the arrangement between the refractive effective surface of the second carrier (T2) and the transmitter element Derar t gewählt ist, daß der Strahl durch den zweiten Träger (T2) auf die Spiegelfläche (S31) und von dort auf die Übertragungsfaser (Fa) trifft. t is selected such that the beam passes through the second carrier (T2) to the mirror surface (S31) and from there to the transmission fiber (Fa) applies.
  3. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Übertragungsfaser einen Winkel von 90° mit der Oberfläche der Träger (T1, T2) einschließt. Optical transmitting and receiving device according to claim 1, characterized in that the optical axis of the transmission fiber an angle of 90 ° with the surface of the carrier (T1, T2).
  4. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Träger (T2) im Bereich des Eintritts des Strahls aus dem Sendeelement (LD) eine Abschrägung der Oberfläche des zweiten Trägers (T2) vorgesehen ist. Optical transmitting and receiving device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second carrier (T2) from the transmission element in the area of ​​entry of the beam (LD), a bevel of the surface of the second carrier (T2) is provided.
  5. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der emittierenden Oberfläche des Sendeelementes ein Hologramm oder eine Fresnellinse vorgesehen ist. Optical transmitting and receiving device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a hologram or a Fresnel lens is provided on the emitting surface of the transmitting element.
  6. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement (LD) gegen die Oberfläche der Träger geneigt am Träger (T1) angebracht ist. Optical transmitting and receiving device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the transmitter element (LD) against the surface of the carrier is inclined to the support (T1) is mounted.
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